虽然认知科学和神经科学的兴起只有20 多年的短暂历史,由于其高度跨学科性与高新技术发展的密切相关,两者又结合在一起,形成了新的交叉领域———认知神经科学。在世纪之交,可以预见这一领域的发展将会带动整个科学的发展,并能顺应发展教育事业的理论需求。下列研究已经形成或正在形成国际前沿。

实验内容

脑的认知功能包括知觉、注意、记忆、语言和思维以及智能和意识等心理功能。一百多年来,神经生理学家和解剖学家一直按机能定位的指导思想试图寻找各种认知功能的特异脑中枢。60 年代在治疗顽固癫痫的脑手术病人中,发现了大脑两半认知风格的差异和海马的记忆功能,曾极大地鼓舞了高级功能定位论的研究,认为海马是特异的记忆中枢,左半球负责抽象思维,右半球负责形象思维等。然而,即使这类研究的奠基人和大脑半分工说的创始人,也很快陷入迷惘之中。因为总是存在大量矛盾的科学事实。还在70 年代中期,我们就试图以“功能模块”的概念取代定位论或分工说。经过十多年的努力,神经病学家和心理学家们终于采用双分离方法学原则,发现了人脑功能模块性或多重功能系统,主要突破表现在多重记忆模块和复杂的认知功能系统。神经生理学家在猴等动物的实验研究中,也积累了大量科学事实,证明视觉功能存在着背、腹侧系统,至少是枕、顶、颞、额的30 多个脑皮层区动态活动。目前,物体真实运动和似动知觉之间、幻觉和真实知觉之间、外界引起和主动性选择注意之间的脑功能模块的异同是引起普遍关注的研究课题。

意识与无意识的脑机制

过去20 年间,运用双分离原则,已将记忆至少分离出意识和无意识两类多重记忆系统,在这些研究成果之上,近年涌现出意识的“全脑工作空间模型” 、“簇化模型”、复杂性模型”等,对意识与无意识过程进行了更为系统性的实验研究及对外界客体的真实知觉和想像之间的脑功能模块的对比研究等,这种对比性分离研究,将会对脑高级功能的认识更加深入。这类研究一方面在认知实验设计上巧夺天工,另一方面,又必须有适当的脑功能检测手段或者严格挑选的脑损伤病人为实验对象。此外,为了搞清所研究的脑功能系统,设计得当的灵长类或低等动物实验模型也是十分必要的。不同层次上的实验数据彼此支持是使这一领域深入发展的必由之路。这一领域的发展一方面直接涉及人类科学最大难题脑与意识的本质;另一方面又关系到智能化信息系统、智能化机器人等高新技术发展,将为人工智能研究开创新的境界。

在过去20 年间学习记忆的神经基础研究在各个层次上都取得了突破性进展。认知心理学和神经心理学研究发现,人类的学习、记忆,至少由五个以上的脑功能系统,实现着多种学习记忆功能,包括重复启动效应,知觉启动效应,语义系统,工作记忆和情景记忆的多重记忆,以及熟练技能学习、知觉学习、语义学习等多种学习模式。学习和记忆的性质不同,参与的脑结构也不同。神经生物学研究发现,不仅学习中刺激呈现时间,而且学习之间的间隔期也制约着学习效果和稳定长时记忆的形成,其原因在于从学习到记忆,必须有脑内记忆相关的基因调节蛋白的激活和基因表达。行为水平上所须的时间恰好与基因调节蛋白激活所需时间巧合。介于行为科学和分子水平研究之间的细胞学研究表明,脑的个体发育中,突触形成需要一定的神经化学环境,包括神经递质和神经生长因子。因此,作为学习记忆神经生物学基础而言,突触可塑性的研究,已成为近年教育相关脑科学所关注的研究课题,寻求脑发育和不同认知功能发展的关键期和可塑性是当代心理学与生理学共同热衷研究的领域。70～90 年代以海马三突触体回路为先导的离体脑片实验标本,随后膜片箝技术所要求的离体细胞培养和脑片标本,乃至海兔、果蝇等实验模型,都极大推动了学习记忆的分子生物学基础研究。这些研究表明,不仅多种神经递质及其受体是必不可少的神经信息传递环节,而且膜的离子通道特性和细胞内信号转导系统,乃至细胞核内的基因调节蛋白,都是学习和记忆的重要分子生物学基础。90 年代以来,有采用基因敲出或转基因技术,培养出许多动物模型,对学习记忆的分子生物学基础提供了新的研究手段。因此,学习记忆的分子生物学研究已成为国际上最活跃的研究领域之一,出现了难以计数的研究课题,极大丰富了认知神经科学的学术空间。

在认知神经科学的基本理论和方法学上，都取得了不少进展，同时也存在不少问题。在理论方面，智能的本质和意识的起源是认知神经科学的基本重大理论问题。认知科学理论发展的历程，经历了三个不同的阶段，出现了四种大的理论体系：物理符号论、联结理论、模块理论和生态现实理论。这四个理论分别与认知神经科学中的检测器与功能柱理论、群编码理论、多功能系统理论和基于环境的脑认知功能理论相对应。认知神经科学的这些理论，有些可以分别用于分析不同层次机制中，它们之间并无根本对立或排他性；但有些理论观点则很难相容，例如，神经元理论中特化细胞与群编码观点就各自有自己的实验事实依据。

在方法学上，认知神经科学包括两大类互补的研究方法：一类是无创性脑功能（认知）成像技术，另一类清醒动物认知生理心理学研究方法。前一类方法中又分为脑代谢功能成像和生理功能成像两种；后一类方法中包括单细胞记录、多细胞记录、多维（阵列）电极记录法和其他生理心理学方法（手术法、冷却法、药物法等）。尽管这些方法为人类科学增添了许多光彩，但远未满足认知神经科学研究的要求。例如，脑认知成像技术可以为我们对认知过程的脑功能形成直观的图像，然而这种图像仅可提供结构或区域性功能关系，对于细胞水平的机制显得过分粗糙。由上述可见，作为当代心理学研究热点的认知神经科学，是否能够继续闪现光辉，有待于进一步的历史验证。

迄今为止,由于认知神经科学形成的历史短暂,对作为全人类共性的脑高级功能多重系统的研究,刚刚拉开序幕。因此,尚未来得及系统研究脑高级功能的个体差异。然而,随着21 世纪社会经济和科学技术的高度发展,对每个公民而言,那个领域能够最好发挥自己的聪明才智,是其面临的重大抉择;对教育而言,虽然因材施教是理想的原则,但怎样评定教育对象的心理素质和才气,至今仍是教育家们的经验之谈,缺乏系统的科学基础。虽然在认知心理学诞生之前,一些学者曾试图寻求脑高级功能的个体差异,如巴甫洛夫的高级神经活动类型和艾森克的人格维度理论;但都缺乏对人类心理过程深层机制进行系统实验研究的科学基础。过去40 年间,认知心理学对人类信息加工过程进行精细的实验研究,概括出许多心理过程的基本特性,提供了理解心理过程个体差异的科学基础。外显的意识过程和内隐的无意识心理过程的特性,控制加式与自动加工过程的特性及其相互转化的规律,心理容量分配的基本特性和规律,复杂心理过程的时序性和决策水平的特性等,这些心理过程的深层机制,不但可以进行实验操作的客观研究, 而且还可找到与之并存的许多相应脑功能参数,如脑细胞或不同脑区神经信息处理和能量代谢水平的差异,同一心理过程脑激活区大小、多少和激活水平的差异等。将认知心理学和神经科学的当代新成果用于人脑认知功能的个体差异研究,已具备了较好的科学基础。因此,21 世纪将个体差异的心理学研究纳入认知神经科学轨道,将会出现突破性发展。

近年来多种脑成像综合应用已成一大发展趋势。一方面,取高分辨率脑电或脑磁成像的理想时间分辨率,另一方面,看重功能性磁共振(fMRI) 或正电子发射层描术( PET)的准确空间分辨率,将两类图像的配准、融合共同投射到结构图像上,已成为这一研究领域重大的技术路线。然而两类成像技术的生物学基础并不相同,前者是脑细胞生理活动的反映,后者是脑细胞活动伴随的能量代谢的变化(包括脑血流、血氧和葡萄糖代谢率的变化) 。两类过程时间尺度之差异(从数毫秒至数分钟) 却为图像配准和融合技术所抹杀。因此,在细胞和分子水平上解决多种脑成像技术综合应用的理论基础已引起很大重视。离体脑片研究发现脑细胞活动的能量供应主要依靠通过胶质细胞进行的谷氨酸/ 谷氨酰胺循环,但也有证据支持是葡萄糖有氧代谢的结果。脑细胞生理活动及其伴随的能量代谢过程的动态规律已成为这一领域的重大理论基础课题,它的突破将会对多种无创性脑研究发生重大影响。

虽然认知神经科学刚刚诞生不足十年,但其实验基地形成之迅速,理论著作问世之集中,都反映了该研究领域的重大意义和巨大的生命力。在比较各国发展的势态时,令我们震动的是这几年经济发展并不景气的英国和德国,竟能拿出大笔资金分别建设了世界上非常先进的认知神经科学基础实验基地。在伦敦一个只有40 人编制的研究所,竟在一座小楼内具有专门研究用的PET 和fMRI 设备。在德国,1997年投资5000 万马克兴建的猴实验室内同时具有专用fMRI和一百多套脑细胞电活动记录的仪器。这种加强基础研究的勇气和明智的选择已预示德国有可能在认知神经科学发展中迅速做出突破性进展。面对这一新领域的发展势态,我国科学界将取何种举措是值得深思的问题。

认知神经科学与学习国家重点实验室 ，依托单位为北京师范大学脑与认知科学研究院，其总体定位为以高级认知功能发展变化为主线，以“学习与脑的可塑性”为核心科学问题，围绕学习的一般规律和机制以及特殊领域学习的认知与脑机制开展认知神经科学研究。为我国基于脑科学的教育质量提升、认知障碍矫治和人力资源开发等提供依据，促进我国亿万儿童青少年的智力和心理的健康发展，提升我国人口素质和综合国力。

脑与认知科学国家重点实验室，依托单位为中国科学院生物物理研究所，实验室立足于脑与认知科学的基础研究，同时开展相关领域的多学科交叉研究，以“围绕研究方向形成共同的研究计划、建设共同的实验环境平台、创立新的原则并着力将研究成果服务于相关应用领域”为主要目标；以视知觉和注意的基本表达、感知觉信息加工的脑机制、高级认知过程及其脑机制、脑与认知功能异常及其机制为主要研究方向。